ALLOCHTON ÉS AUTOCHTON SZERVESANYAGOK SZEREPE A BALATON VÍZMINŐSÉGÉNEK ALAKÍTÁSÁBAN V.-Balogh Katalin és Vörös Lajos MTA Balatoni Limnológiai Kutatóintézet, Tihany Összefoglalás. 26-ban munkánk célja az volt, hogy meghatározzuk az allochton és autochton szervesanyagok részesedését, valamint meghatározzuk a víz alatti fényviszonyok (UV-B, UV-A és PAR) alakításában betöltött szerepüket. Ezért a szervesanyagok (TOC, POC, Pt-szín) mellett mértük a többi fényabszorbeáló paraméter, algák (klorofill-a) és lebegőanyagok koncentrációját, és in situ mértük a víz alatti ultraibolya és látható fény intenzitását a Balatonban. Bevezetés A rendelkezésre álló adatok szerint a Balaton egyes területeinek allochton (külső) szervesanyag terhelése meghatározható, ráadásul az utóbbi években megnövekedett csapadékmennyiséggel nő. Nem tudjuk azonban, hogy a külső szervesanyag terhelés és a tóban termelődő szervesanyagok (autochton) milyen mértékben járulnak hozzá az egyes tóterületek vízminőségének formálásához. A vízminőség turisztikai szempontból a vizuális érzékelésen keresztül jelenik meg. A tiszta, átlátszó, lebegőanyagokban szegény víz az elérni kívánt célállapot, amihez azonban tudni kell, hogy a vízügyi beavatkozások által befolyásolható tényezők milyen mértékben járulhatnak hozzá. A vízbe jutó fény abszorpciójáért felelős tényezők, a látható és ultraibolya fény egyidejű víz alatti mérésével megállapítható és számszerűen kifejezhető, hogy a Balaton egyes területein mekkora szerepe van a barna színű oldott allochton szerves(humin)anyagoknak, a planktonikus algáknak és a felkeveredő üledéknek a vízminőség alakításában. Az eredmények rávilágítanak az eddigi vízminőség-szabályozási intézkedések hatásosságára, a Kis-Balaton tározórendszer, mint külső szervesanyag forrás, valamint az emberi hatásoktól független szél általi üledékfelkeveredés jelentőségére. 26-ban munkánk célja az volt, hogy meghatározzuk az allochton és autochton szervesanyagok részesedését, valamint meghatározzuk a víz alatti fényviszonyok (UV-B, UV-A és PAR) alakításában betöltött szerepüket.
Ezért a szervesanyagok (TOC, POC, Pt-szín) mellett mértük a többi fényabszorbeáló paraméter, algák (klorofill-a) és lebegőanyagok koncentrációját, és in situ mértük a víz alatti ultraibolya és látható fény intenzitását a Balatonban. Anyag és módszer Mintavételek 26-ban az év napsütéses periódusában, áprilistól októberig havi gyakorisággal, összesen 7 alkalommal vettünk vízmintát a Balaton hossztengelye mentén, tóközépen 5 ponton: Keszthelyi-medence (46 o 44 5.8 N, 17 o 16 32. E) Szigligeti-medence (46 o 44 33.1 N, 17 o 26 18.5 E), Szemesi-medence (46 o 5 4.3 N, 17 o 44 28.8 E) Siófokimedence Tihanynál (46 o 55 19. N 17 o 55 53.6 E) és Balatonfűzfőnél (46 o 57 54,7 N 18 o 3 48.8 E) Fényabszorbeáló paraméterek - meghatározások A lebegőanyagok koncentrációjának gravimetriás meghatározásához a vízmintákat,45 µm pórusméretű cellulóz-acetát filteren szűrtük. A filteren fennmaradt lebegőanyagok mennyiségét CHYO YMC SM-2 analitikai mérleggel mértük. A fitoplankton klorofill-a-ban kifejezett koncentrációjának mérését metanolos extrakcióval Shimadzu UV-16A spektrofotométerrel végeztük (Felföldy, 198). A szerves szén analízishez Elementar High TOC szerves szén analizátort használtunk. A szűretlen víz az összes (TOC) a,45 µm-es filteren szűrt víz az oldott szerves szenet (DOC) tartalmazta. A partikulált szerves szén (POC) koncentrációt az előbbiekből (TOC-DOC) számoltuk. A POC algáknak tulajdonítható részesedését a klorofill-a alapján az alábbi konverziós faktorokkal számítottuk: az algák nedves tömegének,5%-a klorofill, a nedves tömeg 17%-a száraztömeg, a száraz tömeg 5%-a szén. A víz oldott szervesanyagok okozta barna színét, Pt-egységben (mg Pt l -1 ) adtuk meg, melyet a Shimadzu UV-16A spektrofotométerrel 44 nm-en mért abszorbancia értékek alapján számítottunk Cuthbert & del Giorgio (1992) szerint. Víz alatti fényintenzitás mérések, számítások
A víz alatti fényintenzitás mélységbeli változását a vízmintavételekkel egyidőben in situ mértük PUV-25 (Biospherical Instrument) radiométerrel. A műszer fedélzeti egységéhez víz alatti szenzor és hordozható számítógép csatlakozik. Ez a műszer a fotoszintetikusan aktív sugárzás (PAR 4-7 nm) mellett az ultraibolya (UV) hullámhossz tartomány mérésére is alkalmas a következő kitüntetett hullámhosszokon: UV-A: 395 nm, 38 nm, 34 nm; UV-B: 32 nm, 313 nm, 35 nm. (Megjegyezzük, hogy ilyen műszerrel Magyarországon egyedül intézetünk, az MTA Balatoni Limnológiai Kutatóintézet rendelkezik.) A mérőműszerhez csatlakoztatott számítógépen tárolt mérési adatokat excel formátumba konvertáltuk, és a Lambert-Beer törvény alapján kiszámítottuk a vertikális extinkciós koefficiens (K d ) értékeket: I z = I * e- ηz lni z = -K d * Z + lni K d (z) = lni- lniz ahol: K d = vertikális extinkciós koefficiens, I = beeső fényintenzitás; I z = fényintenzitás z mélységben; z = vízmélység (méter) A K d (m -1 ) értékek ismeretében hullámhosszonként kiszámítottuk a fény 1%-os (ln1/k d ) lehatolási mélység (Z 1% ) értékeit. Statisztikai módszerek Annak megállapításához, hogy a három fényabszorbeáló paraméter (algák, színes szervesanyagok, lebegőanyagok) milyen mértékben járul hozzá a vertikális extinkciós koefficines (K d ) alakításához, azaz mekkora az egyes paramétereknek tulajdonítható, ún. parciális K d értéke, többváltozós regressziót alkalmaztunk. A szignifikanciát ANOVA alapján adtuk meg. OriginPro 7,5 programot használtunk. Eredmények Allochton és autochton szervesanyagok részesedése Az összes szerves szén (TOC) a Balatonban szignifikáns időbeli változást sehol sem mutatott, a tó hossztengelye mentén nyugatról kelet felé haladva kis mértékben csökkent, átlagos koncentrációja a Keszthelyi-medencében (1.a. ábra) 11,7 mg l -1, a legkeletibb tóterületen (2.a. ábra) 8,8 mg l -1 volt. A TOC döntő részét (9-95%) az oldott szervesanyagok adták. A partikulált szén (POC) döntő hányada nem
alga-eredetűnek bizonyult. A nyugati tóterületen (1.B ábra) az algaeredetű POC átlagosan 26%-ot tett ki, amely a tó legkeletibb medencéjében (2.B ábra) 2%-ra csökkent. Ez utóbbi POC hányadról bizonyítható autochton eredete. 2 15 DOC POC A 2,5 2, N-Alga Alga B TOC (mg l -1 ) 1 5 POC (mg l -1 ) 1,5 1,,5 ÁPR. 3 JÚN. 12 JÚN. 26 JÚL. 24 AUG. 21 SZEP. 25 OKT. 25, ÁPR. 3 JÚN. 12 JÚN. 26 JÚL. 24 AUG. 21 SZEP. 25 OKT. 25. 1. ábra. Az összes szerves szén (TOC) oldott (DOC) és partikulált (POC) (A) valamint a POC Alga és NemAlga (B) frakciói koncentrációjának időbeli változása a Keszthelyimedencében 26-ban 2 15 DOC POC A 2,5 2, N-Alga Alga B TOC (mg l -1 ) 1 5 POC (mg l -1 ) 1,5 1,,5 ÁPR. 3 JÚN. 12 JÚN. 26 JÚL. 24 AUG. 21 SZEP. 25 OKT. 25, ÁPR. 3 JÚN. 12 JÚN. 26 JÚL. 24 AUG. 21 SZEP. 25 OKT. 25. 2. ábra. Az összes szerves szén (TOC) oldott (DOC) és partikulált (POC) (A) valamint a POC Alga és NemAlga (B) frakciói koncentrációjának időbeli változása a a Siófokimedencében Balatonfűzfőnél 26-ban A klorofill-a koncentrációval az összes szerves szén koncentráció szorosabb összefüggést (R 2 =,597) mutatott, mint az oldott szerves szén koncentráció (R 2 =,327). E szerint az autochton szervesanyagok a partikulált fázisban jobban tettenérhetők, mint az oldottban, azaz az
oldott szervesanyagok döntő részben allochton eredetűek, amit a magas tengelymetszet értékek (9 mg l -1 és 8,5 mg l -1 ) is bizonyítanak. Fényabszorbeáló paraméterek térbeli változása A vizsgált hét hónap mérési adatai alapján a klorofill-a koncentráció átlagérték a Keszthelyi-medencében volt a legnagyobb, 21±12,6 µg l -1. A klorofill-a koncentráció keleti irányban először mérsékelten, majd drasztikusan csökkent, és a tó legkeletibb területén, a Siófokimedencében Balatonfűzfőnél 4±1,9 µg l -1 volt. Ez az eredmény arra utal, hogy az algák tápanyag-ellátottsága a tó nyugati medencéiben jobb. A barna színkoncentráció átlagérték szintén a Keszthelyimedencében volt a legnagyobb, 22±5,7 mg Pt l -1. Keleti irányban először fokozatosan, majd drasztikusan csökkent, és a tó keleti területén, a Siófoki-medencében a színérték alatta maradt a Pt-skála alsó értékének (5 mg Pt l -1 ), azaz a víz a tó hossztengelye mentén megtett út során fakul. Korábban is kimutattuk, hogy az oldott szervesanyagok a tóban mikrobiális és fotokémia folyamatok eredményeként minőségi átalakuláson mennek át (V.-Balogh et al., 23, Tóth et al., 25). Egyébként a barna színű allochton oldott huminanyagok a tőzeges láptalajokon átfolyó befolyókkal (döntően a Kis-Balaton alsó tározón átfolyó Zala folyó, Lesence nádasmező kifolyói, déli berekvizes befolyók) legnagyobb mennyiségben a tó nyugati területére folynak. A lebegőanyagok koncentrációja az előző paraméterekhez hasonló térbeli változást mutatott, nyugatról (17±6,6 mg l -1 ) keleti (1±7,6 mg l -1 ) irányban csökkent. Ez viszont nem azzal magyarázható, hogy a tó nyugati területein a lebegőanyag-terhelés nagyobb (pl. a Zala folyóval szállított lebegőanyagokat a Kis-Balaton tározók visszatartják), hanem inkább azzal, hogy a sekélyebb nyugati területeken az üledék könnyebben felkeveredik, mint a mélyebb keleti tórészen. A Balaton víz alatti fényklímája A vertikális extinkciós koefficiens értékek (1. táblázat) összehasonlításakor kitűnik, hogy a hullámhossz csökkenésével a fotoszintetikusan aktív tartománytól (PAR 4-7 nm) az ultraibolya B tartomány felé haladva nő, azaz a fényelnyelés a látható tartományban kisebb, mint az UV-tartományban. Ami a vizsgálati helyeket illeti, a K d értékek minden hullámhossz esetén csökkennek a Keszthelyi-medencétől a tó legkeletibb medencééig, de a csökkenés mértéke legkisebb a PAR és
legnagyobb az UV-B (35 nm) tartományban. Így a K d szélső értékek a következők: legkisebb, 1,7±,47 (m -1 ) a K dpar a Siófoki-medencében Balatonfűzfőnél, legnagyobb 23,3,7±5,25 (m -1 ) a K d35nm a Keszthelyimedencében. Medencé k 1. táblázat. Eltérő hullámhosszú fényen mért vertikális extinkciós koefficiens átlagértékek a Balaton különböző medencéiben, 26-ban K d (m -1 ) 35 nm Keszthelyi 23,3 ±5,25 Szigligeti 15,2 ±1,68 Szemesi 12,69 ±2,6 SiófokiT 8,3 ±1,94 SiófokiF 6,83 ±1,29 313 32 34 38 395 nm nm nm nm nm PAR 19,36 16,64 12,55 7,75 6,2 2,2 ±3,53 ±2,57 ±1,59 ±1,37 ±1,11 ±,53 13,83 11,53 9,71 5,72 4,78 1,76 ±1,86 ±2,9 ±1,43 ±,62 ±,61 ±,31 11,34 9,71 7,9 4,43 3,26 1,37 ±1,94 ±2,7 ±1,12 ±,98 ±,77 ±,44 6,67 5,8 3,86 2,43 1,97 1,1 ±1,8 ±1,35 ±,8 ±,58 ±,48 ±,29 6,7 5,32 3,7 2,3 1,86 1,7 ±1,13 ±1,2 ±1,15 ±,86 ±,66 ±,47 (T = Tihany, F = Balatonfűzfő), Átlag±SD (n = 7) A Balaton eltérő medencéinek víz alatti fényklímájáról még szemléletesebb képet adnak az ún. 1%-os lehatolási mélység értékek (Z 1%, azaz az a mélység, ahová a fény 1 %-a még lehatol). Az UV-B tartomány legkisebb hullámhosszán, 35 nm-en a fény 1%-os lehatolási mélysége a Keszthelyi-medencében (3.A ábra) 2±5 cm, míg Balatonfűzfőnél (3.B ábra) 69±12 cm. Az UV-A tartomány legkisebb hullámhosszán, 34 nm-en a fény 1%-os lehatolási mélysége a Keszthelyi-medencében (3.A ábra) 37±6 cm, míg Balatonfűzfőnél (3.B ábra) 1,33±,34 m. Az átlagos PAR Z 1% a különböző medencékben, nyugat-keleti irányban a következőképpen változott: 2,2±,51; 2,68±,43; 3,83±1,78; 4,46±1,31; 4,89±1,75. Ezekből az eredményekből azt a következtetést lehet levonni, hogy az UV-B tartományt tekintve jobban különböznek a Balaton egyes tóterületei, mint a PAR esetében.
Hullámhossz (nm) 35 313 32 34 38 395 PAR Hullámhossz (nm) 35 313 32 34 38 395 PAR 1% Mélység (m) 1 2 3 4 5 A 1% Mélység (m) 1 2 3 4 5 B 3. ábra. Eltérő hullámhosszúságú fény 1%-os lehatolási mélysége a Keszthelyimedencében (A) és a Siófoki-medencében Balatonfűzfőnél (B) 26-ban. Fényabszorbeáló paraméterek szerepe parciális K d A három fényabszorbeáló tényező (algák, színes szervesanyagok, lebegőanyagok) koncentráció értékei és a különböző hullámhosszokra (7 hullámhossz) kapott vertikális extinkciós koefficines értékek között szoros pozitív lineáris (összesen 21) összefüggést kaptunk. 2. táblázat. Többváltozós modellek (az algák, színes szervesanyagok, lebegőanyagok parciális extinkciós koefficiens értékei) K d35 nm = 2,8318 +,183 * Kl +,66 * Pt +,219 * La (R 2 =,854; P <,1; n=33) K d313 nm = 3,69 +,947 * Kl +,548 * Pt +,1443 * La (R 2 =,845; P <,1; n=33) K d32 nm = 2,61 +,667 * Kl +,4395 * Pt +,129 * La (R 2 =,849; P <,1; n=33) K d34 nm = 1,6326+,747 * Kl +,3497 * Pt +,825 * La (R 2 =,886; P <,1; n=33) K d38 nm =,7333 +,244 * Kl +,232 * Pt +,797 * La (R 2 =,915; P <,1; n=33) K d395 nm =,566 +,29 * Kl +,1817 * Pt +,578 * La (R 2 =,923; P <,1 n=33) K dpar ( 4-7nm) =,4694 +,167 * Kl +,21 * Pt +,474 * La (R 2 =,8295; P <,1; n=33) K d = vertikális extinkciós koefficiens (m -1 ); Kl = klofill-a (µg l -1 ); Pt = Pt-szín (mg Pt l -1 ).
Mivel ezek a tényezők nem külön-külön, hanem együttesen fejtik ki hatásukat, többváltozós regresszióval kaphatunk olyan modelleket, amelyek az egyes paramétereknek a víz alatti fényviszonyok alakításában betöltött valódi szerepét, azaz az ún. parciális K d értékeket adják meg (2. táblázat). E modelleket felhasználva a 26-ban mért klorofill-a, Pt-szín és lebegőanyag koncentráció értékekre kiszámíthattuk hullámhosszonként a parciális K d értékeket, ezek összege a háttérértékkel megadta az összes K d értékét. Az így kapott modell K d értékeket összevetettük a mért K d értékekkel és minden hullámhosszon igen jó egyezést kaptunk. Az összes mérésből képzett átlagértékekre az összefüggés természetesen még szorosabb (R 2 =,993) volt. Miután megbizonyosodtunk, hogy modelljeink igen jól egyeznek a mért értékekkel, a kapott hullámhosszonkénti parciális Kd értékek alapján medencénként kiszámítottuk az egyes paraméterek átlagos %-os részesedését a víz alatti fényextinkcióból. A kapott eredmények rávilágítanak, hogy a víz alatti ultraibolya fényklímát a tó egész területén az allochton színes szervesanyagok határozták meg. Részesedésük a Keszthelyi-medencében (4.A ábra) 7%, kelet felé haladva fokozatosan csökkent, de a legkeletibb tóterületen (4.B ábra) is 5%-ban feleltek az ultraibolya fény elnyeléséért. Ezzel ellentétesen változott a lebegőanyagok szerepe az ultraibolya fény elnyelésében, míg részesedésük a Keszthelyi-medencében (4.A ábra) 2% körüli volt, részesedésük a Siófoki-medencében (4.B ábra) 4%-ra nőtt. 1 1 K d R é sz e se d é s (% ) A 8 6 4 2 35 313 32 34 38 395 PAR Hullám hos s z (nm ) KdLa KdPt KdKl K d Rés z es edés (% ) 8 6 4 2 35 313 32 34 38 395 PAR Hullámhossz (nm). 4. ábra. A lebegőanyagoknak (La), színes szervesanyagoknak (Pt) és algáknak (Kl) tulajdonítható átlagos parciális extinkciós koefficiens (Kd) értékek %-os megoszlása a Keszthelyi-medencében (A) és a Siófoki-medencében (Balatonfűzfőnél) (B) 26-ban B KdLa KdPt KdKl
Az ultraibolya fényklímát legkevésbé az algák befolyásolták, részesedésük a tó nyugati medencéiben (pl. 4.B ábra) 1%, keleti medencéiben csupán 5% körüli volt. A látható (PAR) hullámhossztartományban az ultraibolya tartományhoz képest más szerep jut a fényabszorbeáló paramétereknek. A meghatározó szerepet a lebegőanyagok veszik át, parciális K d részesedésük 5% a Keszthelyi-medencében és a Szigligeti-medencében, majd részesedésük eléri és meg is haladja a 7%-ot a Siófokimedencében. Az algák és színes szervesanyok parciális PAR K d részesedését összehasonlítva azt kaptuk, hogy 26-ban, a Balatonban minden vizsgált területen 1,5 2-szeresen haladták meg a színes allochton szervesanyagok az algák szerepét a víz alatti fényklíma alakításában. Következtetések 26-ban, a Balatonban mérhető szerves szén döntő hányada allochton eredetű, azaz nem a tóban termelődik, hanem a vízgyűjtőről származik. 26-ban az allochton szervesanyagok részesedése nemcsak a víz alatti UV, hanem a PAR fényklíma alakításában is meghaladta a tóban termelődött algákét. A Keszthelyi-medencében a vízminőség javítása az allochton szervesanyag-terhelés csökkentését igényli. Ennek ellentmond a Kis-Balaton alsó tározó elárasztott területének jelentős növelése, amely várhatóan az allochton szervesanyag-terhelés növekedésével jár majd. Köszönetnyilvánítás Témavezető és a kutatás résztvevői köszönetüket fejezik ki a fenti téma kutatásának lehetőségéért az Önkormányzati és Területfejlesztési Minisztériumnak és a Magyar Tudományos Akadémiának. Irodalom Cuthbert, I. D. & P. del Giorgio (1992) Toward a standard method of measuring color in freshwater. Limnol. Oceanogr. 37: 1319-1326. Felföldy L. (198) A biológiai vízminősítés. Vízügyi Hidrobiológia 9. VIZDOK, Budapest, 264 pp. Tóth N., Szentes G. & V.-Balogh K. (25) Fotokémiai és bakteriális bontás hatása az oldott szervesanyagok minőségére. Hidrológiai Közlöny 85: 155-157. V.-Balogh, K., L. Vörös, N. Tóth & M. Bokros (23) Changes of organic matter quality along the longitudinal axis of a large shallow lake (Lake Balaton). Hydrobiologia 56-59: 67-74.